一种矿井高效率钻杆的制作方法

本发明属于煤炭开采技术领域，涉及煤炭正式开采前预抽采瓦斯通道施工过程中的设备，特别涉及预抽采瓦斯通道的钻割和施工过程中钻孔内喷出的瓦斯、粉尘的有效收集。

背景技术：

煤矿瓦斯、粉尘事故是井下的重大灾害之一，若发生瓦斯、粉尘事故，不仅会严重破坏生产环境，而且会造成人员伤亡，给人民、企业、国家造成巨大的损失，因此，消除瓦斯超限和粉尘是预防瓦斯、粉尘事故的前提条件，也是矿井安全生产的重要保障之一。然而，由于地质沉积作用，煤层中积压了大量的瓦斯等有毒有害气体，为了实现安全采掘，通常情况下，采掘前首先要布置专用瓦斯抽采坑道，采用坑道钻机施工抽采钻孔提前实施瓦斯抽采，待抽采达标后，方能开始采掘煤炭。

瓦斯抽采坑道的施工通常包括钻孔和割裂煤层等多道工序。具体方法是使用坑道钻机先施钻一定深度的钻孔，然后将钻杆换成用于割裂煤层的专用钻杆后再伸进钻孔内需要割裂的煤层位置，接着采用高压水割裂煤层。为了达到良好的瓦斯预抽采效果，通常要求钻孔具有一定的深度，并且钻孔的不同深度位置需要割裂煤层，这就需要反复将钻杆从钻孔中退出并反复更换钻孔钻杆和割裂煤层的专用钻杆。该钻杆更换过程会占用大量的工程时间，影响工程进度。在现有技术中，由于有些工程工期紧张或者其他原因，也可以采用仅钻孔而不切割的施工方式，但是采用这种方式所布置的抽采坑道其瓦斯抽采率很低。目前还没有既能保证工期又能使抽采坑道效果明显的方法。

同时，在施工抽采钻孔过程中，特别是许多矿井进入深部水平后，煤层瓦斯含量、压力都将增大，施钻喷孔、甚至钻孔延时喷孔造成的瓦斯超限不安全问题，钻孔垮孔问题也越来越突出，为了克服垮孔和瓦斯超限问题，不得不采取压风排粉施工工艺，然而粉尘危害又成了新的难题。但是，在现有技术中，并没有针对这一严重问题的专用瓦斯、粉尘处理设备，因此施钻过程中大量瓦斯、粉尘仍然会被释放在坑道中，造成严重的瓦斯超限、粉尘超标安全隐患。

技术实现要素：

为了解决现有的钻杆施工过程中频繁切换不同功能的钻杆导致效率低下和施钻出现瓦斯超限和粉尘危害的问题，本发明提供一种矿井高效率钻杆。

本发明技术方案如下：

一种矿井高效率钻杆，设置有钻割头，连接杆，吸尘杆，连接杆一端连接钻割头，另一端连接吸尘杆。

钻割头包括钻头、钻头杆主体、钻头水腔、钻头连接母头、高压喷流孔、水腔封孔塞和换塞绳；钻头和钻头连接母头分别设置在钻头杆主体的两端，钻头水腔设置在钻头杆主体的轴向中心位置并贯穿钻头杆主体，其一端为锥形通孔，高压喷流孔设置在钻头杆主体上并贯穿钻头杆主体，水腔封孔塞设置于水腔内，其形状与钻头水腔的锥形通孔相匹配，其截面处最大直径小于钻头水腔的直径，换塞绳与水腔封孔塞相连且足够长。

连接杆设置有连接杆水腔杆壁、连接杆气腔杆壁、连接杆水腔、高压气腔、连接杆连接公头和连接杆连接母头；连接杆水腔在连接杆水腔杆壁内部，高压气腔在连接杆水腔杆壁与连接杆气腔杆壁之间；连接杆连接公头和连接杆连接母头分别设置在连接杆的两端，连接杆连接母头包括设置于连接杆水腔杆壁一端的连接杆水腔连接母头和设置于连接杆气腔杆壁同一端的连接杆气腔连接母头；优选的，连接杆水腔杆壁设计为管状形。

吸尘杆设置有吸尘杆水腔杆壁、吸尘杆出气腔杆壁、吸尘杆进气腔杆壁、吸尘杆水腔、高压进气腔、高压出气腔、吸尘孔、固定销；吸尘杆水腔在吸尘杆水腔杆壁内部，高压进气腔设置于吸尘杆水腔杆壁与进气腔杆壁之间，高压出气腔设置于进气腔杆壁与出气腔杆壁之间；吸尘杆水腔杆壁两端设置有相互匹配的吸尘杆水腔杆壁连接公头和吸尘杆水腔杆壁连接母头，吸尘杆出气腔杆壁两端设置有相互匹配的吸尘杆出气腔杆壁连接公头和吸尘杆出气腔杆壁连接母头，吸尘杆进气腔杆壁两端设置有相互匹配的吸尘杆进气腔杆壁连接公头和吸尘杆进气腔杆壁连接母头；吸尘孔设置在吸尘杆出气腔杆壁上，优选的，其轴线方向与其和吸尘杆出气腔连接公头的连线成锐角，所述锐角角度为30°；固定销用于固定各杆壁，使各杆壁相对位置固定；优选的，吸尘杆水腔杆壁设计为管状形；优选的，吸尘杆进气腔杆壁设计为管状形。

钻头连接母头与连接杆连接公头相匹配；连接杆水腔连接母头与吸尘杆水腔连接公头相匹配，连接杆气腔连接母头与吸尘杆出气腔连接公头相匹配。

由于采用以上技术方案，本发明所提供的多功能钻杆设有高压喷流孔、水腔、吸尘孔和进出气腔，其不仅能实现钻割功能的切换，在施钻同时还能对粉尘和瓦斯进行收集，有效的解决了钻杆施工过程中频繁切换不同功能的钻杆导致效率低下和施钻出现瓦斯超限和粉尘危害的问题。其工作原理是：水腔内工作液体保持常压时，钻杆进行钻孔；对水腔内工作液体施加高压时，液体从高压喷流孔高速喷出对煤层进行切割；在钻孔或是切割煤层的同时，向高压进气腔通入高压气体，高压气体从高压出气腔流出，形成气流循环，粉尘和瓦斯通过吸尘孔吸入该气流循环系统从而被排除。

附图说明

图1是本发明的整体纵向剖视图；

图2是钻割头的纵向剖视图；

图3是图2的A-A剖视图；

图4是连接杆的纵向剖视图；

图5是图4的B-B剖视图；

图6是吸尘杆的纵向剖视图；

图7是图6的C-C剖视图。

1、钻割头；1.1、钻头；1.2、钻头杆主体；1.3、钻头水腔；1.4、钻头连接母头；1.5、高压喷流孔；1.6、水腔封孔塞；1.7换塞绳；2、连接杆；2.1、连接杆水腔杆壁；2.2、连接杆气腔杆壁；2.3、连接杆水腔；2.4、高压气腔；2.5、连接杆连接公头；2.6、连接杆连接母头；2.6.1连接杆水腔连接母头；2.6.2连接杆气腔连接母头；3、吸尘杆；3.1、吸尘杆水腔杆壁；3.2、吸尘杆出气腔杆壁；3.12、吸尘杆进气腔杆壁；3.3、吸尘杆水腔；3.4、高压进气腔；3.5、高压出气腔；3.6、吸尘孔；3.7、吸尘杆连接公头；3.7.1、吸尘杆水腔连接公头；3.7.12、吸尘杆进气腔连接公头；3.7.2、吸尘杆出气腔连接公头；3.8、吸尘杆连接母头；3.8.1、吸尘杆水腔连接母头；3.8.12、吸尘杆进气腔连接母头；3.8.2、吸尘杆出气腔连接母头；4、固定销。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，一种矿井高效率钻杆，设置有钻割头1，连接杆2，吸尘杆3，连接杆2一端连接钻割头1，另一端连接吸尘杆3。

钻割头1包括钻头1.1、钻头杆主体1.2、钻头水腔1.3、钻头连接母头1.4、高压喷流孔1.5、水腔封孔塞1.6和换塞绳1.7；钻头1.1和钻头连接母头1.4分别设置在钻头杆主体1.2的两端，钻头水腔1.3设置在钻头杆主体1.2的轴向中心位置并贯穿钻头杆主体1.2，其一端为锥形通孔，高压喷流孔1.5设置在钻头杆主体1.2上并贯穿钻头杆主体1.2，水腔封孔塞1.6设置于水腔内，其形状与钻头水腔1.3的锥形通孔相匹配，其截面处最大直径小于钻头水腔1.3的直径，换塞绳1.7与水腔封孔塞1.6相连。

施工过程中，当需要垂直钻孔时，钻头水腔1.3内的工作液体保持常压，水腔封孔塞1.6未将钻头水腔1.3的锥形通孔堵塞，工作液体从锥形通孔流出，钻杆进行垂直钻孔；当需要水平割裂煤层时，钻杆停止钻孔，然后对水腔内的工作液体施加高压，水腔封孔塞1.6受高压液体的压迫将钻头水腔1.3的锥形孔封堵，工作液体从高压喷流孔1.5内溅射出，完成对煤层的割裂，据实际测算，液体压强在8-10Pa时，能达到预期切割效果，即通过对水腔内工作液体压强的调节来实现钻孔与割裂两种工作模式的切换。由于水腔封孔塞1.6经常 受到高压压迫，其密封效果较易受到损坏，进而使切割功能不能实现，此时可通过换塞绳1.7更换水腔封孔塞1.6，避免了将整个钻杆退出钻孔更换水腔封孔塞1.6而耽误大量时间，亦提高了工作效率。

如图4所示，连接杆2设置有连接杆水腔杆壁2.1、连接杆气腔杆壁2.2、连接杆水腔2.3、高压气腔2.4、连接杆连接公头2.5和连接杆连接母头2.6；连接杆水腔2.3在连接杆水腔杆壁2.1内部，高压气腔2.4在连接杆水腔杆壁2.1与连接杆气腔杆壁2.2之间；连接杆连接公头2.5和连接杆连接母头2.6分别设置在连接杆2的两端，连接杆连接母头2.6包括设置于连接杆水腔杆壁2.1一端的连接杆水腔连接母头2.6.1和设置于连接杆气腔杆壁2.2同一端的连接杆气腔连接母头2.6.2；优选的，连接杆水腔杆壁2.1设计为管状形，以减小其在钻孔时所受的空气阻力。

连接杆2用于连接钻割头1和吸尘杆3，当连接杆连接公头2.5与钻头连接母头1.4连接后，连接杆水腔2.3与钻头水腔1.3贯通，连接杆水腔2.3用于将吸尘杆3输送来的工作液体输送给钻头水腔1.3；同时，高压气腔2.4将吸尘杆3的高压进气腔3.4和高压出气腔3.5连通，以形成气流循环。

如图6所示，吸尘杆3设置有吸尘杆水腔杆壁3.1、吸尘杆出气腔杆壁3.2、吸尘杆进气腔杆壁3.12、吸尘杆水腔3.3、高压进气腔3.4、高压出气腔3.5、吸尘孔3.6、固定销4；吸尘杆水腔3.3在吸尘杆水腔杆壁3.1内部，高压进气腔3.4设置于吸尘杆水腔杆壁3.1与进气腔杆壁3.12之间，高压出气腔3.5设置于进气腔杆壁3.12与出气腔杆壁3.2之间；吸尘杆水腔杆壁3.1两端设置有相互匹配的吸尘杆水腔杆壁连接公头3.7.1和吸尘杆水腔杆壁连接母头3.8.1，吸尘杆出气腔杆壁3.2两端设置有相互匹配的吸尘杆出气腔杆壁连接公头3.7.2和吸尘杆出气腔杆壁连接母头3.8.2，吸尘杆进气腔杆壁3.12两端设置有相互匹配的吸尘杆进气腔杆壁连接公头3.7.12和吸尘杆进气腔杆壁连接母头3.8.12，由于设置于吸尘杆3两端的连接公头与相应的连接母头匹配，可以通过增加吸尘杆3的数量来控制整个钻杆的长度；吸尘孔3.6设置在吸尘杆出气腔杆壁3.2上，优选的，其轴线方向与其和吸尘杆出气腔连接公头3.7.2的连线成锐角，进一步的，该锐角为30度，以增强其吸尘吸气效果；固定销4用于固定各杆壁，使各杆壁相对位置固定；优选的，吸尘杆水腔杆壁3.1设计为管状形，吸尘杆进气腔杆壁3.12设计为管状形，以减小其钻孔过程中的空气阻力。

吸尘杆连接公头3.7与连接杆连接母头2.6连接后，吸尘杆水腔3.3与连接杆水腔2.3连通，吸尘杆水腔3.3内的工作液体输送至连接杆水腔2.3；同时，高压进气腔3.4与高压出气腔3.5通过高压气腔2.4连通，从高压进气腔3.4通入高压气体，高压气体到达高压气腔2.4后，从高压出气腔3.5返回，形成气流循环，由于高速气流气压低，粉尘和瓦斯通过 吸尘孔3.6被吸附进入该气流循环，从而被排除。

钻头连接母头1.4与连接杆连接公头2.5相匹配；连接杆水腔连接母头2.6.1与吸尘杆水腔连接公头3.7.1相匹配，连接杆气腔连接母头2.6.2与吸尘杆出气腔连接公头3.7.2相匹配，钻割头1、连接杆2和吸尘杆3通过这些相互匹配的连接公头与连接母头两两连接。

本发明的工作原理是：连接杆将钻割头与吸尘杆连接后，设计于三者轴内部的水腔连通，进气腔与出气腔通过高压气腔连通。在整个施工过程中，对高压进气腔通入高压气体，高压气体到达高压气腔后，从高压出气腔返回，形成气流循环，由于高速气流气压低，粉尘和瓦斯通过吸尘孔被吸附进入该气流循环，从而被排除；而对钻孔与割裂两种工作模式的切换则通过对水腔内工作液体压强的调节来实现：当需要垂直钻孔时，钻头水腔1.3内的工作液体保持常压，此时水腔封孔塞1.6未将钻头水腔1.3的锥形孔堵塞，工作液体从锥形孔流出，钻杆进行垂直钻孔；当需要水平割裂煤层时，钻杆停止钻孔，然后对水腔内的工作液体施加高压，水腔封孔塞1.6受高压液体的压迫将钻头水腔1.3的锥形孔封堵，工作液体从高压喷流孔1.5内溅射出，完成对煤层的割裂，据实际测算，液体压强在8-10Pa时，能达到预期切割效果；同时，由于水腔封孔塞1.6经常受到高压压迫，其密封效果较易受到损坏，进而使切割功能不能实现，此时可通过换塞绳1.7更换水腔封孔塞1.6，避免了将整个钻杆退出钻孔更换水腔封孔塞1.6而耽误大量时间，亦提高了工作效率。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。